qualification de cristaux laser à l'aide de méthodes d'ombroscopie...
TRANSCRIPT
«Qualification de cristaux laser à l'aide de méthodes d'ombroscopie et de strioscopie »
Le 15-16 novembre 2012 à Metz
Gurvan BRASSE
Journées thématiques: « Nature et visualisation des impuretés et des défauts, mesures
quantitatives de la qualité optique des cristaux »
CIMAP, Centre de recherches sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique –
UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN-Université de Caen
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Plan de l’exposé
- Contexte et problématique
- L’ombroscopie
- Méthodes de caractérisation des défauts
- La strioscopie
- Analyse quantitative de la qualité optique des cristaux
- Conclusion
Bra
sse G
urv
an
1
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Contexte & Motivations Challenge international pour le développement de
lasers de puissance (TW, PW)
POLARIS: Oscillateur Yb3+:KGW pompé diode +
Amplificateurs à verres phosphate dopés Yb3+
Objectif : accroitre le taux de répétition avec des amplificateurs
Yb:YAG/Yb:CaF2
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
2
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
180 mm
520 mm
200 mm
520 mm
SF G1
G2
G2b G3
G4
G3b
Vacuum compressor/ spatial beam control
300 J / 15 fs
@ 1shot/mn
10 PW
Adaptive mirrors
Ampli 0
2J /1Hz
Nd YAG
6J/1Hz
Ampli 1
« LASERIX »
50J /0.1Hz
Nd Verre
100J/0.1Hz
Ampli 2
600 J -1sh/mn
Nd Verre
1,5 kJ – 1tr/mn
Amplifier stages
< 10 fs @ 800 nm
100 mJ, 10 Hz
Front End
Contexte & Motivations Challenge international pour le développement de lasers de
puissance (TW, PW)
ILE-APOLLON 10P : the French ELI prototype
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
3
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Contexte & Motivations Challenge international pour le développement de lasers de
puissance (TW, PW)
Objectif : fournir des impulsions ultra courtes (100 mJ)
avec le plus haut taux de répétition possible
ILE-APOLLON 10P : Front End
(OPCPA) LBO/BBO
Amplifier stages
800 nm
10 fs, 100 mJ, 0.1-1 kHz
Laser kHz Ti:Sa
30 fs 800 µJ
@ 800nm
Laser Yb:KGW
Diode pumped
300 fs, 200µJ
@ 1030nm
Compression
and doubling
1 - 100 ps
1 J @ 515 nm
Temporal
synchronisation
Amplis
Yb:YAG/Yb:CaF2
1 - 100 ps
2 J @ 1030 nm
0.1 – 1 kHz
Spectral
broadening
<10 fs @ 800nm
600 µJ, kHz
XPW
cleaning
120 µJ
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
4
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Contexte & Motivations
Puissance laser très élevées Conditions extrêmes pour les cristaux
Influence critique des défauts sur les performances laser:
Impératif de contrôler et caractériser ces défauts rigoureusement;
Impératif de définir des critères quantitatifs fiables pour sélectionner les
cristaux et assurer une certaine reproductibilité des performances laser;
Mieux comprendre la cause et l’origine de ces défauts pour les éliminer;
Mieux comprendre le rôle de ces défauts sur les propriétés optiques et
les mécanismes d’endommagement;
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
5
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Types de défauts rencontrés:
Défauts de surface liés à la préparation/au polissage;
Inclusions, bulles, impuretés chimiques, centres colorés;
Variations locales de l’indice de réfraction, mâcles;
Contexte & Motivations
Contraintes;
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
6
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Types de défauts rencontrés:
Défauts de surface liés à la préparation/au polissage;
Inclusions, bulles, impuretés chimiques, centres colorés;
Variations locales de l’indice de réfraction, mâcles;
Contexte & Motivations
Les conséquences de ces défauts:
Endommagement / destruction du cristal;
Dépolarisation du faisceau / Biréfringence (cristaux cubiques);
Echauffement anormal / biréfringence thermique (cristaux cubiques);
Contraintes;
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
6
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Méthodes de caractérisations
systématiques mises en oeuvre
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
7
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Méthodes de caractérisations mises en oeuvre
La spectroscopie d’absorption UV-Vis
200 225 250 275 300 325 350 375 400
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
D.O
(a
.u)
Wavelength (nm)
CaSrF2Yb3A01
La signature spectroscopique (en absorption) de
nombreux centres colorés dans le domaine UV-Vis
Présence d’ions Yb2+
Détermination de la concentration en
ions [Yb2+] dans CaF2 par exemple;
“Additive colouring of CaF2:Yb crystals: Determination of Yb2+ concentration in
CaF2:Yb crystals and ceramics”, (prochainement publié dans Applied Physics B)
A.S. Shcheulin, A.E. Angervaks, T.S. Semenova, L.F. Koryakina, M.A. Petrova, P.P.
Fedorov, V.M. Reiterov, E.A. Garibin, A.I. Ryskin
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
8
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Méthodes de caractérisations mises en oeuvre
La spectroscopie d’absorption UV-Vis
200 225 250 275 300 325 350 375 400
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
D.O
(a
.u)
Wavelength (nm)
CaSrF2Yb3A01
Analyse entre polariseurs croisés
Dépolarisation insignifiante Légère dépolarisation Dépolarisation non négligeable
(Voir film)
Présence d’ions Yb2+
La signature spectroscopique (en absorption) de
nombreux centres colorés dans le domaine UV-Vis
Détermination de la concentration en
ions [Yb2+] dans CaF2 par exemple;
“Additive colouring of CaF2:Yb crystals: Determination of Yb2+ concentration in
CaF2:Yb crystals and ceramics”, (prochainement publié dans Applied Physics B)
A.S. Shcheulin, A.E. Angervaks, T.S. Semenova, L.F. Koryakina, M.A. Petrova, P.P.
Fedorov, V.M. Reiterov, E.A. Garibin, A.I. Ryskin
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
8
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
CaF2Yb5A199B1L CaF2Yb5A206B1L
- Pureté de YbF3: 4N;
- Er3+<1 ppm, Tm3+=1 ppm - Pureté de YbF3:4N
- Référence des précurseurs non considérée à l’époque et certificat de pureté inconnu. Vraisemblablement quantité de Tm3+ non
négligeable: Tm3+ > 1ppm
400 450 500 550 600 650 700
250
500
750
1000
1250
Em
issio
n
Longueur d'onde (nm)
400 450 500 550 600 650 700
0
500
1000
1500
2000
Em
issio
n
Longueur d'onde (nm)
Fluorescence verte
prononcée Fluorescence blanche
bleutée
Fluorescence UV-Vis pour la mise en évidence d’impuretés chimiques
Méthodes de caractérisations mises en oeuvre
Signature luminescente des ions Er3+.
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
9
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Méthodes de caractérisations mises en oeuvre La microscopie optique
Observation d’une
portion de cristal en microscopie optique
Mise en évidence des défauts liés à la préparation des cristaux
(découpe / polissage):
- Rayures;
- Cratères – arrachement de matière;
- Fissures - Fractures;
Limitations: Observation d’une portion de cristal et non du cristal dans
son ensemble en considérant le grossissement requis;
10 µm
100 µm
13 µm
100 µm
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
10
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
11
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie
Principe de la méthode:
Observation sur un écran (ombroscopie) ou sur une caméra (diascopie) de l’ombre
portée d’un objet transparent placé dans un faisceau de lumière parallèle statique.
Schéma du dispositif expérimental:
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
12
Lentille L1 –
f=10 mm
Lentille L2 –
f=10 mm
échantillon
Camera
CM
O
S
Source de
lumière blanche
Trou de 3 mm
de diamètre
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie
Principe de la méthode:
Observation sur un écran (ombroscopie) ou sur une caméra (diascopie) de l’ombre
portée d’un objet transparent placé dans un faisceau de lumière parallèle statique.
Schéma du dispositif expérimental:
Observation expérimentale:
Les défauts apparaissent en champ sombre sur un fond clair:
Visualisation des variations locales d’éclairement.
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
12
Lentille L1 –
f=10 mm
Lentille L2 –
f=10 mm
échantillon
Camera
CM
O
S
Source de
lumière blanche
Trou de 3 mm
de diamètre
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie Principes et explications physiques:
Méthode de visualisation basée sur le phénomène de
déviation ou d’obstruction des faisceaux lumineux.
Perception d’un phénomène optique = Observation d’un objet d’amplitude
Objet parfaitement transparent = objet de phase
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
13
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie Principes et explications physiques:
Perception d’un phénomène optique = Observation d’un objet d’amplitude
Objet parfaitement transparent = objet de phase
Courbure de l’onde tournée vers l’aval
Huygens Fermat
Toute différence de chemin optique entre deux rayons
voisins implique une modification de leur orientation.
Gradients latéraux d’indice Déformation de l’onde émergente
Courbure de l’onde dirigée vers la source
(augmentation de l’éclairement)
(diminution de l’éclairement)
Les rayons émergents divergent
Les rayons émergents convergent
écra
n
Méthode de visualisation basée sur le phénomène de
déviation ou d’obstruction des faisceaux lumineux.
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
13
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie Limitations de la mesure:
-La résolution du système de mesure est définie par celle du détecteur;
-La transition de l’ombre à la lumière n’est pas franche à cause de la diffraction;
-Parallélisme du faisceau favorisé par une source lumineuse ponctuelle;
-La répartition angulaire de l’intensité suivra une courbe d’Airy dans la cas d’une source ponctuelle;
(L’intensité de l’éclairement à la limite de
séparation théorique est divisée par 4.)
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
14
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie Exemple de clichés ombroscopiques:
Cristal présentant des stries
de croissance = variation
locale de l’indice de réfraction
(Rugosité de l’ordre du µm)
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
15
7.5 mm
(Rugosité de l’ordre du nm)
(Observation des stries de
croissance à l’œil nu – Voir film)
Pas de gros défauts
apparents;
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
L’ombroscopie / La diascopie Avantages de cette méthode:
-Simplicité de mise en œuvre;
-Méthode non intrusive et non destructrice;
-Méthode très lumineuse;
-Bonne visualisation des défauts diffusants et des objets de phase;
-Bonne méthode qualitative pour déterminer spatialement la position des défauts;
Inconvénients de cette méthode:
-Par essence une ombre est toujours plus ou moins floue;
-Difficile à quantifier;
-Intégration de l’information sur toute l’épaisseur analysée;
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
16
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
17
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie Principe de la méthode:
- Méthode basée sur la déviation des faisceaux lumineux et le filtrage spatial
des fréquences émergentes de l’objet.
Observation sur un écran des faisceaux déviés par les inhomogénéités présentes
dans l’objet analysé, les faisceaux non déviés à la sortie de l’objet étant stoppés.
Schéma du dispositif expérimental:
Observation expérimentale:
Les défauts apparaissent en champ clair sur un champ sombre:
- Visualisation des inhomogénéités d’indice de réfraction dans la masse ou
- Visualisation des défauts de surface (rayures, cratères, microfissures).
Camera He-Ne@633 nm
CM
O
S
Objectif x40
Sténopé de diamètre 200 µm (filtre passe bas)
Lentille L1 – f=10 mm
Lentille L2 – f=10 mm
échantillon Filtre spatial
(passe-haut)
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
18
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Principes et explications physiques:
La strioscopie
En l’absence de défaut:
Pas de déviation du faisceau, qui est entièrement
intercepté par le stoppeur; Champ observé uniformément sombre;
En présence de défaut:
Déviation d’une partie du faisceau d’une quantité (n.a.f),
qui n’est pas interceptée par le stoppeur et qui éclaire l’écran;
x
n
n
e
a
Variation du chemin optique
Déviation du faisceau d’un angle a;
a
fn
E
E ..a
Observation de tâche claire sur champ sombre, dont
la variation d’éclairement est:
Défauts, inhomogénéïtés Contraste de phase
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
19
2 mm
2 mm 2 mm
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Explications physiques du contraste de phase:
La strioscopie
)sin(.0 tAV
)sin(.'0 tAV- Différence de phase entre les plans de fronts conjugués AB et A’B’:
Onde initiale de front et d’expression: ’ 1
1
2
1
3
D
d
d
A
B
L
S’
A’
B’
(Objet éclairé en lumière cohérente et la face
de sortie de AB est aux rayons incidents
Egalité des phases dans ce plan)
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
20
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie
)sin(.'0 tAV- Différence de phase entre les plans de fronts conjugués AB et A’B’:
- Objet AB n’est plus d’épaisseur optique rigoureusement constante: (variations locales d’épaisseur (De) et d’indice de réfraction (Dn) )
- Onde au regard de la cavité de diamètre d et d’épaisseur e présente
une avance de phase sur le front d’onde référence de phase 1 tel que:
=(n-1)De
212
- Onde au regard de la bosse de diamètre d et d’épaisseur e présente
un retard de phase sur le front d’onde référence de phase 1 tel que: 03
’ 1
1
2
1
3
D
d
d
A
B
L
S’
A’
B’
)sin(.0 tAV
Onde initiale de front et d’expression:
(Objet éclairé en lumière cohérente et la face
de sortie de AB est aux rayons incidents
Egalité des phases dans ce plan)
Explications physiques du contraste de phase:
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
20
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie
)sin(.'0 tAV- Différence de phase entre les plans de fronts conjugués AB et A’B’:
- Objet AB n’est plus d’épaisseur optique rigoureusement constante: (variations locales d’épaisseur (De) et d’indice de réfraction (Dn) )
- Onde au regard de la cavité de diamètre d et d’épaisseur e présente
une avance de phase sur le front d’onde référence de phase 1 tel que:
=(n-1)De
212
- Onde au regard de la bosse de diamètre d et d’épaisseur e présente
un retard de phase sur le front d’onde référence de phase 1 tel que: 03
)sin(.' itAV
’ 1
1
2
1
3
D
d
d
A
B
L
S’
A’
B’
- Expression de l’onde dans le plan conjugué:
(Seule la phase subit des modifications locales, l’amplitude de vibration reste constante)
)sin(.0 tAV
Onde initiale de front et d’expression:
(Objet éclairé en lumière cohérente et la face
de sortie de AB est aux rayons incidents
Egalité des phases dans ce plan)
Explications physiques du contraste de phase:
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
20
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Explications physique de la transformation d’un objet de phase en un objet
d’amplitude:
La strioscopie
Intensité de l’éclairement d’un point du plan image au carré de l’amplitude de l’onde
)sin(.' itAV )2
cos()sin()sin()cos(.'
tAtAV ii
(plan image uniformément éclairé, l’œil n’étant pas sensible aux phénomènes de phase)
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
21
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie
Intensité de l’éclairement d’un point du plan image au carré de l’amplitude de l’onde
)sin(.' itAV )2
cos()sin()sin()cos(.'
tAtAV ii
Hypothèse: les fluctuations locales de chemin optique introduite par l’objet
restent petite par rapport à la longueur d’onde de la lumière. 2
i 1)cos( i ii )sin(
)2
cos()sin(.'
tAtAV i
(plan image uniformément éclairé, l’œil n’étant pas sensible aux phénomènes de phase)
Explications physique de la transformation d’un objet de phase en un objet
d’amplitude:
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
21
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie
Intensité de l’éclairement d’un point du plan image au carré de l’amplitude de l’onde
)sin(.' itAV )2
cos()sin()sin()cos(.'
tAtAV ii
Hypothèse: les fluctuations locales de chemin optique introduite par l’objet
restent petite par rapport à la longueur d’onde de la lumière. 2
i 1)cos( i ii )sin(
)2
cos()sin(.'
tAtAV i
Onde V’ = Superposition de 2 ondes V’0 et V’i.
)sin(.'0 tAV
)2
cos(.'
tAV ii
Intensité observée (Ai)2 et aux variations de chemin optique
(Onde principale stoppée en grande partie et non affectée par la variation de chemin optique)
(Onde secondaire, pouvant être décomposée en ondelette partielles locales d’amplitude sensiblement
constante et en quadrature avec l’onde principale)
(plan image uniformément éclairé, l’œil n’étant pas sensible aux phénomènes de phase)
Explications physique de la transformation d’un objet de phase en un objet
d’amplitude:
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
21
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Explications physiques du filtrage spatial:
La strioscopie Onde principale V0 stoppée
Tâche de diffraction très fine en S’ de
diamètre angulaire (2 x 1.22/D), D étant
le diamètre de la lentille.
Onde secondaire V’i
Tâche de diffraction plus étendue en S’
de diamètre angulaire (2 x 1.22/d), d
étant le diamètre de l’inhomogénéité.
’ 1
1
2
1
3
D
d
d
A
B
L
S’
A’
B’
stoppeur
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
22
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie
Ondelettes secondaires provenant des vibrations lumineuses « diffractées » par les irrégularités de l’objet.
Onde principale V0 stoppée
Tâche de diffraction très fine en S’ de
diamètre angulaire (2 x 1.22/D), D étant
le diamètre de la lentille.
Onde secondaire V’i
Tâche de diffraction plus étendue en S’
de diamètre angulaire (2 x 1.22/d), d
étant le diamètre de l’inhomogénéité.
Séparation spatiale des ondes V0 et V’i
Recouvrement de la tache centrale et des
premiers anneaux de diffraction de l’onde principale par le stoppeur
Léger voile sur le plan image, surtout
sensible sur les bords de l’image
’ 1
1
2
1
3
D
d
d
A
B
L
S’
A’
B’
stoppeur
(1) Fonction de dif f raction de l’onde principale
(2) Fonction de dif f raction résultante des ondelettes secondaires (résidu de l’onde principale)
Explications physiques du filtrage spatial:
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
22
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
La strioscopie
Ondelettes secondaires provenant des vibrations lumineuses « diffractées » par les irrégularités de l’objet.
Onde principale V0 stoppée
Tâche de diffraction très fine en S’ de
diamètre angulaire (2 x 1.22/D), D étant
le diamètre de la lentille.
Onde secondaire V’i
Tâche de diffraction plus étendue en S’
de diamètre angulaire (2 x 1.22/d), d
étant le diamètre de l’inhomogénéité.
Séparation spatiale des ondes V0 et V’i
Recouvrement de la tache centrale et des
premiers anneaux de diffraction de l’onde principale par le stoppeur
Léger voile sur le plan image, surtout
sensible sur les bords de l’image
’ 1
1
2
1
3
D
d
d
A
B
L
S’
A’
B’
stoppeur
(1) Fonction de dif f raction de l’onde principale
(2) Fonction de dif f raction résultante des ondelettes secondaires (résidu de l’onde principale)
Explications physiques du filtrage spatial:
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
22
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Analyse des cristaux en strioscopie Approche qualitative rapide et efficace: donne une information sur l’état
des surfaces et sur le volume (voir petit film).
Cristal « CaF2:Yb3+ » poli qualité spectro dont les faces n’ont pas la même taille
Cristal poli qualité laser « CaF2:Yb3+ » Visualisation des défauts présents
dans la masse (Voir film)
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
23
2 mm 2 mm
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Analyse des cristaux en strioscopie Approche qualitative rapide et efficace: donne une information sur l’état
des surfaces et sur le volume (voir petit film).
Nécessité de mettre en place des critères quantitatifs pertinents et
fiables pour comparer la qualité des cristaux étudiés
(1) Un facteur qualité général prenant en compte l’ensemble du cristal
(2) Un ensemble de facteurs qualité rendant compte de l’intensité diffractée sur le
cristal « virtuellement découpé » en zones de dimensions équivalentes à la zone
mise en jeu en fonctionnement laser (200 µm x 200 µm)
Cristal « CaF2:Yb3+ » poli qualité spectro dont les faces n’ont pas la même taille
Cristal poli qualité laser « CaF2:Yb3+ »
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
23
2 mm 2 mm
Visualisation des défauts présents dans la masse (Voir film)
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Calcul du facteur qualité général: S
Principe de la méthode:
Remarques:
- Cette méthode prend en compte l’ensemble du cristal et l’information rendue par le facteur S peut être « biaisée » par une distribution très inhomogène des défauts ou par certaines aberrations (effets de bord);
- Effets de bord amplifiés en fonction de l’épaisseur de l’échantillon analysé;
- Il est préférable que le cristal sous test soit parallélépipédique pour faciliter la méthode de traitement de l’image;
- Les faces observées doivent être bien perpendiculaires au faisceau et à l’axe optique;
Analyse des cristaux en strioscopie
Etape 1: visualisation Etape 2: Traitement de l’image Etape 3: transformation
de l’image en un objet
mathématique
Etape 4: Calcul du facteur qualité
C
L
Image brute du cristal
(cristal+périphérie)
Image rognée du cristal
(on ne prend en
compte que le cristal)
Génération de la matrice M
représentant l’intensité de
chaque pixel
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
24
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Calcul de l’ensemble des facteurs qualité rendant compte de l’intensité
diffractée sur le cristal « virtuellement découpé » en zones de dimensions
équivalentes à la zone mise en jeu en fonctionnement laser
Principe de la méthode:
On réduit la matrice M en une matrice Sa de dimension inférieure (par ex: 29x27): chaque élément de matrice
représentant alors le facteur qualité Si,j pour une zone du cristal de dimension préalablement déf inie
On part de la matrice M
représentant l’intensité de chaque
pixel (par ex: 1171 x 734)
C
L
C’<C
L’<L Sa = M =
Remarque: taille d’un pixel sur la caméra = 5 microns x 5 microns
Analyse des cristaux en strioscopie
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
Sa
25
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Sa
Sa
Facteur de qualité globale: S=7 (biaisé par les défauts ponctuels et localisés)
Facteurs de qualité locaux: deux zones fortement perturbées:
s~0.06 (maximum) et s~0.05; Moyenne sur le reste du cristal: s<0.02
Exemple sur un cas concret
Sa
0.06
Remarques:
- Plus les facteurs « s » et « S » sont faibles, meilleure est la qualité du cristal; - Facteur qualité relatif à la zone utile en fonctionnement laser; - Possibilité de cartographier le cristal selon ces facteurs qualité « s » et de déterminer un « nombre de
zones dépassant un certain seuil »; - Limitation de l’erreur relative liée aux effets de bords sur le facteur qualité;
Analyse des cristaux en strioscopie
Assez bonne reproductibilité de
ces facteurs locaux d’un cristal
à une autre.
Pas satisfaisant
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
26
2 mm
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Approche statistique pour le traitement quantitatif des
résultats en strioscopie
Réaliser un histogramme des valeurs d’intensité des clichés obtenus en strioscopie
Possible d’appliquer des outils statistiques fiables aux histogrammes
ainsi définis et de définir des critères de comparaison pertinents;
2 mm
2 mm
29.96
Nombre d’éléments=1.40778 E5
0 100 200 3000
5000
10000
His
tog
ram
Level
Red
Largeur à mi hauteur = 11.93
No
mb
re d
’élé
me
nts
Niveaux d’intensité
51.39
Nombre d’éléments=1.31072 E6
0 100 200 3000
1000
2000
3000
His
tog
ram
Level
Red
Largeur à mi hauteur = 33.51
Niveaux d’intensité
No
mb
re d
’élé
me
nts
Comparaison de la qualité
optique des cristaux:
Critères de comparaison:
- Valeur du niveau d’intensité au
maximum de population I(smax);
- Largeur à mi-hauteur de la distribution
(FWHM);
- I(smax) d’autant plus petite que la
qualité optique du cristal est bonne;
- FWHM d’autant plus faible que la
qualité optique du cristal est bonne;
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
27
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Corrélation entre clichés obtenus en strioscopie et observation en
microscopie optique
Sensibilité des résultats obtenus en strioscopie
Révélation de défauts de 10-20 µm de diamètre / largeur en strioscopie;
13 µm
10 µm
Observation du cristal
entier en strioscopie
Observation d’une
portion de cristal en microscopie optique
100 µm 100 µm
2 mm 2 mm
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
28
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
- Nécessaire de travailler avec des paramètres d’acquisition de la caméra constants;
- Mieux comprendre l’influence de l’épaisseur du cristal sur la valeur des facteurs
qualité;
- Méthode de traitement limiter par la forme du cristal (parrallélépipèdes, disques);
- Les cristaux taillés à l’incidence de Brewster ne peuvent pas être analysés dans cette configuration expérimentale;
Limitations des ces méthodes:
Avantages des ces méthodes:
Analyse des cristaux en strioscopie
- Relativement simple à mettre en œuvre et peu coûteux;
- Méthodes non destructrices et non intrusives sur l’échantillon;
- Possibilité d’observer aisément les défauts de surface;
- Bonne sensibilité permettant de visualiser des défauts de surface de quelques
microns; -Possibilité de déterminer des critères qualité quantitatifs fiables et pertinents;
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an
29
Centr
e d
e R
echerc
he s
ur
les Io
ns,
les M
até
riaux e
t la
Pho
toniq
ue
no
m
Merci pour votre attention!
Journées thématiques « Visualisation des défauts dans les cristaux », Metz 15-16 Novembre 2012
Bra
sse G
urv
an